深淺坑基坑設(shè)計(jì)及分析

肖 敏

（上海城市交通設(shè)計(jì)院有限公司，上海市200120）

0 引 言

隨著城市土地資源日益緊縮，“坑中坑”作為一種新型基坑應(yīng)運(yùn)而生。“坑中坑”開(kāi)挖導(dǎo)致土體應(yīng)力路徑比傳統(tǒng)基坑更為復(fù)雜，但是基坑設(shè)計(jì)規(guī)范及市場(chǎng)設(shè)計(jì)軟件未有統(tǒng)一或建議的計(jì)算方式，現(xiàn)有研究一般是通過(guò)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)或土體剛度進(jìn)行相應(yīng)折減來(lái)考慮相互影響。

目前有部分涉及“坑中坑”的計(jì)算理論[1]。楊才等[2]采用強(qiáng)度折減有限元法，對(duì)“坑中坑”的坑趾系數(shù)、深度比、面積比進(jìn)行了控制變量研究。豐土根等[3]對(duì)“坑中坑”不同開(kāi)挖位置、深度及大小對(duì)懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 工程概況

上海市楊高路改擴(kuò)建隧道工程北起自浦東新區(qū)世紀(jì)大道- 楊高路立交隧道（包含），終于浦東新區(qū)浦建路跨線橋，屬于楊高南路段范圍。

改造完成后隧道總長(zhǎng)1 747.29 m。隧道全線設(shè)置1 對(duì)出入口匝道，起于浦東新區(qū)張家浜河北側(cè)，下穿張家浜并與地面橋合建，在張家浜河南側(cè)接入地面，全長(zhǎng)約302 m（不含匝道展寬段）。

2 工程地質(zhì)

本工程所在區(qū)域工程地貌類型為濱海平原，沿線地勢(shì)平坦，各勘察點(diǎn)地面標(biāo)高為3.82～5.29 m。

沿線場(chǎng)地內(nèi)自上而下可劃分為7 個(gè)大層及若干亞層，共計(jì)11 層。各土層分別為：①1 層填土、①2層灰黑色淤泥、②層褐黃- 灰黃色粉質(zhì)黏土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③T 灰色砂質(zhì)粉土、④層淤泥質(zhì)黏土、⑤層灰色粉質(zhì)黏土、⑥1 層暗綠色粉質(zhì)黏土、⑥2 層草黃色粉質(zhì)黏土加砂質(zhì)粉土、⑦1 層草黃色砂質(zhì)粉土、⑦2 層灰色粉砂（未揭穿）。

基坑開(kāi)挖最深處位于第④層，只有很小一段位于⑤層層頂處，最大開(kāi)挖深度約為19 m，坑底標(biāo)高約為-13.06 m。場(chǎng)地淺部分布的③、④層淤泥質(zhì)軟弱層及⑤層等軟黏性土對(duì)工程建設(shè)影響較大，要引起重視。

3 工程難點(diǎn)

在隧道主線與匝道合并段存在深淺坑，如先開(kāi)挖深坑，待深坑結(jié)構(gòu)施工完畢后再開(kāi)挖淺坑，將對(duì)工期影響較大且會(huì)在淺坑底板造成1 道縱向施工縫，后期易造成隧道滲水。因此基坑先開(kāi)挖匝道淺坑，再開(kāi)挖主線深基坑，其中淺坑開(kāi)挖8.7 m，匝道橫斷面寬度9 m；深坑開(kāi)挖深度17.5 m，主通道開(kāi)挖寬度28 m。由于深基坑開(kāi)挖時(shí)會(huì)引起淺層基坑坑底土體擾動(dòng)，從而造成淺基坑變形增加，內(nèi)力增大，而常規(guī)基坑設(shè)計(jì)軟件無(wú)法同時(shí)考慮深淺坑，因此，如何確保深坑開(kāi)挖階段淺坑的基坑安全成為本工程的一大難點(diǎn)。

本工程設(shè)計(jì)階段采用有限元軟件Plaxis 進(jìn)行分析，以真實(shí)反映實(shí)際施工狀態(tài)下深坑及淺坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力，同時(shí)通過(guò)對(duì)深坑開(kāi)挖階段淺坑坑底土m值進(jìn)行一定折減來(lái)計(jì)算淺坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力，最終包絡(luò)取大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 深淺坑基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 P laxis 有限元分析模型

基坑圍護(hù)剖面圖見(jiàn)圖1，采用Plaxis 有限元軟件進(jìn)行分析。模型考慮基坑開(kāi)挖土體卸載對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的影響，取2 倍基坑開(kāi)挖深度范圍為其豎向收斂區(qū)域；取3～5 倍基坑開(kāi)挖寬度為其周圍平面邊界收斂區(qū)域來(lái)建立分析模型。模型沿基坑橫向（X向）為150 m，沿基坑深度（Y向）為50 m，模型上表面為天然地面。

圖1 基坑圍護(hù)剖面圖（單位：m）

模型中，內(nèi)支撐、地連墻、工法樁結(jié)構(gòu)均按各向同性材料考慮；土體按H-S 模型考慮；因止水帷幕與圍護(hù)樁剛度相差較大，計(jì)算過(guò)程中不考慮其抗彎性，將其作為安全儲(chǔ)備。

分析模型中，通過(guò)單元的“激活、鈍化”來(lái)實(shí)現(xiàn)土體開(kāi)挖、結(jié)構(gòu)施作等施工過(guò)程，施工過(guò)程中考慮20 kPa的地表均布超載作用。基坑二維模型見(jiàn)圖2。

圖2 基坑二維模型圖

4.1.1 模型參數(shù)選取

模型分析中各土層的物理參數(shù)見(jiàn)表1，地連墻、工法樁、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的幾何屬性見(jiàn)表2。

表1 土層物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表2 主要結(jié)構(gòu)幾何屬性表

4.1.2 位移邊界條件確定

所有邊界條件均為位移邊界條件。其中：地表為自由邊界條件；模型左、右表面水平（X向）位移限制為零，其他方向自由；模型底部邊界的豎向（Y向）位移限制為零。

4.1.3 初始地應(yīng)力確定

初始地應(yīng)力的計(jì)算主要考慮土體自重，由有限元程序直接求得初始應(yīng)力場(chǎng)。

4.1.4 模擬計(jì)算工況

綜合基坑形狀及與橋樁結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置，為減小基坑開(kāi)挖卸載過(guò)程對(duì)于周邊既有橋樁結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的影響，結(jié)合實(shí)際施工工序，設(shè)定計(jì)算工況和步驟如下：

工況1：土體初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，位移清零。

工況2：施工地連墻和工法樁，位移清零。

工況3：開(kāi)挖基坑內(nèi)土體1 m。

工況4：施加第1 道混凝土支撐。

工況5：開(kāi)挖坑內(nèi)土體至第2 道支撐下0.5 m。

工況6：施作第2 道鋼支撐。

工況7：開(kāi)挖基坑內(nèi)土體至匝道底，施作匝道底板厚300 mm 鋼筋混凝土板。

工況8：施作第3 道支撐。

工況9：開(kāi)挖坑內(nèi)土體至第4 道支撐下0.5 m。

工況10：施作第4 道支撐。

工況11：開(kāi)挖至坑底。

在各工況連續(xù)計(jì)算中，位移和應(yīng)力逐次累加，上一工況的位移和應(yīng)力將作為下一工況的初始應(yīng)力和位移狀態(tài)。

4.2 有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

由計(jì)算結(jié)果可知：開(kāi)挖到底基坑最大水平位移43.87 mm，最大豎向位移137.59 mm。

基坑水平位移云圖見(jiàn)圖3；基坑豎向位移云圖見(jiàn)圖4；淺坑工法樁位移及內(nèi)力圖見(jiàn)圖5；深坑地連墻位移及內(nèi)力圖見(jiàn)圖6。

圖3 基坑水平位移云圖（單位：mm）

圖4 基坑豎向位移云圖（單位：mm）

圖5 淺坑工法樁位移（單位：mm）及內(nèi)力圖（單位：kN·m）

圖6 深坑地連墻位移（單位：mm）及內(nèi)力圖（單位：kN·m）

由計(jì)算結(jié)果可知：淺坑工法樁最大水平位移31.03 mm，最大彎矩361.87 kN·m；深坑地連墻最大水平位移34.24 mm，最大彎矩1 480 kN·m。

4.3 同濟(jì)啟明星設(shè)計(jì)軟件計(jì)算分析

同步采用同濟(jì)啟明星基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析，計(jì)算時(shí)為了模擬深坑開(kāi)挖對(duì)淺坑的影響，將淺坑下加固土的m值進(jìn)行折減，取為m=4.0 MN/m4。

采用同濟(jì)啟明星設(shè)計(jì)軟件計(jì)算的淺坑工法樁位移及內(nèi)力圖見(jiàn)圖7；深坑地連墻位移及內(nèi)力圖見(jiàn)圖8。

圖7 淺坑工法樁啟明星位移及內(nèi)力圖

圖8 深坑地連墻啟明星位移及內(nèi)力圖

4.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)淺坑、深坑實(shí)測(cè)累計(jì)變形數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9、圖10。

圖10 深坑實(shí)測(cè)累計(jì)變形

采用有限元軟件和同濟(jì)啟明星設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照見(jiàn)表3。

表3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對(duì)照表

楊高路隧道已于2017 年建成通車，匝道深淺坑處基坑開(kāi)挖期間的變形值偏小于軟件計(jì)算值，基坑整體穩(wěn)定安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）采用同濟(jì)啟明星設(shè)計(jì)軟件和Plaxis 有限元軟件計(jì)算的深坑地連墻位移和內(nèi)力結(jié)果相差很小，說(shuō)明有限元模型及相關(guān)參數(shù)選取合理；由于同濟(jì)啟明星設(shè)計(jì)軟件計(jì)算中加固土m值折減取為4.0 MN/m4，且有限元模型計(jì)算時(shí)考慮了匝道底厚300 mm 的鋼筋混凝土板，使得匝道工法樁計(jì)算彎矩較同濟(jì)啟明星設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算彎矩偏小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最終淺坑采用工法樁，深坑采用地下連續(xù)墻。

（2）采用有限元軟件和同濟(jì)啟明星設(shè)計(jì)軟件結(jié)合包絡(luò)計(jì)算方法，深淺坑匝道圍護(hù)設(shè)計(jì)能滿足先淺后深開(kāi)挖的受力要求。